杜丹豐,馬巖,楊春梅,郭秀榮
(東北林業(yè)大學(xué) 交通學(xué)院,黑龍江哈爾濱150040)
近年來,國際上廣泛開展了柴油機(jī)超微顆粒排放方面的研究[1-2]。根據(jù)顆粒粒徑的不同,柴油機(jī)排放顆粒物(Particulate Material,PM)可分為核模態(tài)(粒徑小于50 nm)、積聚模態(tài)(粒徑小于100 nm)和粗糙模態(tài)(粒徑大于100 nm),其中核模態(tài)和積聚模態(tài)約占排氣總顆粒數(shù)的90%以上[3-5],這些粒子(亦稱超微粒子)會對人體肺部和腦部造成重大傷害,還可能引發(fā)遺傳性基因突變[6]。近年的柴油發(fā)動機(jī)雖然在減少顆粒物質(zhì)量濃度的設(shè)計方面取得了長足的進(jìn)步,但是超微顆粒數(shù)濃度的上升卻成為困擾發(fā)動機(jī)繼續(xù)升級的障 礙[7]。微粒捕集器(Diesel Particulate Filter,DPF)被認(rèn)為是解決柴油機(jī)微粒排放問題最有效的手段之一,已成為當(dāng)前柴油車微粒排放控制技術(shù)的研究熱點[8],但深受價格、再生、柴油品質(zhì)以及過濾超微顆粒等諸多問題的困擾,在一些國家一直未得以良好的應(yīng)用。
針對以上問題,利用特殊工藝對微米木纖維進(jìn)行整體炭化和活化,制成綠色環(huán)保、成本低、凈化效率高、具有活性炭性質(zhì)的炭化微米木纖維(Carbonized Micron Wood Fiber,CMWF)過濾體(濾芯)[9]。該過濾體的突出優(yōu)點是對超微顆粒吸附能力強(qiáng)。本文利用混合Lennard Jones 勢能——巨正則系綜蒙特卡羅(混合LJ-GCEMC)法模擬超微粒子在CMWF 孔隙中的吸附過程,以期對加工工藝起到一定的指導(dǎo)作用。
CMWF是順紋刨切木材制成的幾十微米厚、幾百微米寬、幾千微米長的高強(qiáng)度木纖維,經(jīng)過膠合和熱壓重組成型,再經(jīng)過特殊工藝炭化和活化而成的新型過濾材料[9]。文獻(xiàn)[10]以微觀力學(xué)和細(xì)胞學(xué)理論為基礎(chǔ)獲得了傳統(tǒng)木纖維端面細(xì)胞結(jié)構(gòu),文獻(xiàn)[11]指出,在木材微米切削時,細(xì)胞會被切開,可大幅度增加管胞容腔的接觸面積,提高PM的吸附速度及在細(xì)胞中的吸附量,圖1為傳統(tǒng)木纖維與微米木纖維端面細(xì)胞結(jié)構(gòu)圖。
圖1 木纖維端面細(xì)胞結(jié)構(gòu)圖
CMWF 過濾體制作過程如圖2所示。利用自行研制的數(shù)控大型微米刨片機(jī)加工微米級厚度刨花,并將刨花加工成微米木纖維,進(jìn)而利用微纖絲模壓制品加工專用壓機(jī)制成微米木纖維濾芯,利用特殊炭化和活化工藝初步研制出CMWF 濾芯并組裝成可拆卸式DPF[9]。
圖2 CMWF 濾芯制作過程圖
文獻(xiàn)[12-13]指出,碳?xì)淙剂系牟煌耆紵傻奶紵熓且蕴荚幼鳛橹饕煞植⒑?0%~30%氫原子的碳?xì)浠衔锼M成。在缺氧條件下,碳?xì)淙剂现械闹刭|(zhì)烴在液態(tài)下直接脫氫碳化,成為焦碳狀的液相析出型態(tài)碳粒,粒度一般比較大;而輕質(zhì)烴首先氣化,然后裂解成甲烷和乙烯之類的低分子碳?xì)浠衔镆约岸喹h(huán)芳烴,它們不斷脫氫形成原子級的碳粒子并聚合成直徑2 nm 左右的碳煙核心,碳煙核心再碰撞凝聚并與其它有機(jī)物附著,碳核增大為直徑20~30 nm 左右的碳煙基元,繼而形成積聚態(tài)的超微粒子。
文獻(xiàn)[14]指出,柴油機(jī)排放顆粒物中約含60%~80%的元素碳和20%~30%的有機(jī)組分。文獻(xiàn)[15]指出,柴油機(jī)50%負(fù)荷下50 nm和76.7 nm 均相粒徑段粒子非揮發(fā)性組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于90%,且排氣顆粒主要由10 nm 左右的初始粒子形成的聚團(tuán)構(gòu)成。文獻(xiàn)[16]發(fā)現(xiàn)稀釋參數(shù)(稀釋比例、稀釋空氣溫濕度以及稀釋混合氣在通道內(nèi)的停留時間等)的變化顯著影響核模態(tài)粒子的數(shù)密度和粒徑分布,而對積聚模態(tài)粒子影響較小。文獻(xiàn)[17]通過試驗獲得柴油機(jī)在1400 r·min-1,50%負(fù)荷工況下超微粒子的顆粒數(shù)密度。文獻(xiàn)[18-19]指出,積聚態(tài)顆粒物的粒數(shù)濃度較穩(wěn)定,在實驗中表現(xiàn)出很好的可重復(fù)性。這些積聚態(tài)粒子絕大部分會被直接排入大氣,成為大氣中元素碳(Element Carbon,EC)的主要來源。
通過以上分析可知,在柴油車排放物中,從數(shù)量上看,大部分為由碳煙基元凝并而成的超微粒子,所以研究CMWF 濾芯對超微粒子的吸附容量意義重大。本文主要利用混合LJ-GCEMC 法對CMWF 濾芯吸附超微粒子的顆粒數(shù)量加以統(tǒng)計,在分析過程中,將含超微粒子的尾氣視為流體進(jìn)行研究。根據(jù)上述文獻(xiàn),本文假設(shè)積聚態(tài)粒子完全由元素碳組成,其平均直徑為76.7 nm,到達(dá)CMWF 濾芯處的粒子數(shù)密度為9×106個/cm3[20],其中元素碳部分主要是由原子級的碳粒子碰撞凝聚而成,可將其看做是碳原子簇。
吸附實驗一般只能對吸附現(xiàn)象進(jìn)行宏觀上的測量和分析,無法對吸附的微觀過程進(jìn)行描述,而利用計算機(jī)模擬具有活性炭性質(zhì)的CMWF 濾芯的吸附,可為了解吸附的微觀過程和活性炭吸附機(jī)理提供信息?;旌螸J-GCEMC 法是模擬吸附過程的一種有效方法。目前,國內(nèi)外研究者已利用GCEMC方法對碳孔墻吸附氣體分子及金屬納米粒子特性進(jìn)行了研究[21-23],本文在此基礎(chǔ)上對CMWF 濾芯吸附超微碳煙顆粒的相關(guān)特性進(jìn)行初步探討。
在分子動力學(xué)模擬中,粒子之間相互作用力計算普遍采用的勢能模型是Lennard-Jones(LJ)勢能模型[22]。ψLJ為Lennard-Jones(LJ)勢能,可表示為
式中,r為粒子間的距離;σ為尺寸參數(shù);ε為能量參數(shù)。為了利用分子動力學(xué)模擬粒子之間的相互作用,本文采用在巨正則系綜中廣泛應(yīng)用的截斷漂移LJ勢能(Cut -Shifted Lennord - Jones(CSLJ)potential)來表征流體超微粒子之間的相互作用。
式中,ψff為流體粒子之間的勢能,J;rc為截斷半徑,rc=3.8σff,σff為超微粒子尺寸參數(shù)。
流體相與單個狹縫炭孔墻之間的勢能采用平均場理論中的10-4-3勢能模型[24]。圖3為流體在CMWF濾芯狹縫孔中的示意圖,圖中狹縫孔孔徑H是炭孔墻的中心原子到正對面炭孔墻中心原子的距離。
圖3 狹縫孔中超微粒子示意圖
定義與狹縫炭孔墻垂直的方向為z軸,則勢能可表述為
式中,ρw為炭孔墻的數(shù)密度,ρw=114 nm-3;Δ表示石墨的晶面間距,Δ=0.335 nm;z表示流體粒子和炭孔墻之間的距離,nm;εfw和σfw分別為超微粒子和炭孔墻的交互作用參數(shù),它們可以從Lorentzberthelot 混合規(guī)則獲得[25]:
式中:εff為超微粒子的能量參數(shù);σww為炭孔墻的尺寸參數(shù);εww為炭孔墻的能量參數(shù),σww=0.34 nm,εww/kB=28 K[26]。
對固定的孔徑H,流體相在活性炭孔中的總勢能ψT可以表示為兩種相互作用勢能之和,即流體相粒子之間的勢能ψff和流體相粒子與炭孔墻之間的勢能(ψfw(z)+ψfw(H-z))之和:
為了便于計算,只考慮超微粒子中最近碳原子之間的相互作用[27]。假設(shè)碳原子簇由大量配位數(shù)為6的簡立方結(jié)構(gòu)組成,即每個中心碳原子周圍有6個最近的碳原子,2個碳原子可形成一個鍵,這樣,每個碳原子會與最近的碳原子形成6個鍵;然而,由于每個鍵屬于2個碳原子,所以,每個碳原子的有效鍵數(shù)應(yīng)為總鍵數(shù)的一半,對于簡立方結(jié)構(gòu)來說,一個碳原子的有效鍵數(shù)是3,一個內(nèi)部碳原子的結(jié)合能等于這3個鍵的總能量,這樣,超微粒子的結(jié)合能即為粒子中所有鍵能之和。
根據(jù)上面的討論可獲得超微粒子的結(jié)合能。為了簡化問題,假設(shè)超微粒子是一個理想的立方形,其內(nèi)部在三維空間中具有相同數(shù)量的炭原子單元。如果這個立方形超微粒子的邊界尺寸是D,那么,納米粒子的體積和表面積分別是D3和6D2。由于簡立方、體心立方和面心立方的體積變化相差很小,所以本文忽略不同晶格結(jié)構(gòu)之間的差異,假設(shè)所有的晶格都是簡立方結(jié)構(gòu),那么,立方超微粒子的總碳原子數(shù)n為D3/d3,表面碳核數(shù)N為6D2/d2,這里d表示碳原子的尺寸。這樣,便有N為6n2/3,內(nèi)部炭原子數(shù)為(n-6n2/3)。
令α為一個內(nèi)部碳原子的鍵數(shù),考慮到表面弛豫,在晶格中每個表面炭原子的鍵數(shù)超過一半是懸掛鍵,本文取表面炭原子鍵數(shù)為內(nèi)部炭原子鍵數(shù)的1/4,則超微粒子的結(jié)合能可表示為
式中,Ebond是鍵能。將式(6)進(jìn)行簡化,得:
式中,E0為超微粒子的結(jié)合能
根據(jù)E0及文獻(xiàn)[28]可以算出超微粒子的能量參數(shù) εff/kB=1620K,其中kB為Boltzmann 常數(shù),J·K-1。另外,超微粒子的尺寸參數(shù)可近似為其邊界尺寸,本文取σff為76.7 nm。
3.3.1 巨正則系綜模擬理論
巨正則系綜的配分函數(shù)[29]可表示為
式中,N是系綜體系的分子數(shù);ri是第i個分子的向量坐標(biāo);λ為de Broglie 波長是化學(xué)勢,μ=kBT lnλρ;h為Planck 常數(shù)。因此,熱力學(xué)量X的系綜平均可表示為
式中<>表示系綜平均。方程(8)~(10)是進(jìn)行模擬的基本方程。為了方便和簡化計算,文中模擬所涉及量都以流體相粒子的尺寸參數(shù)和能量參數(shù)作為對比量進(jìn)行無量綱化,具體形式如下:
式中,上標(biāo)有星號的量均為無量綱量;μ為化學(xué)勢,J;V為體積,nm3;T為溫度,K;p為壓強(qiáng),Pa;ρ是數(shù)密度;H是狹縫孔徑。
在μVT系綜熱力學(xué)平衡時,孔中流體相與主體流體相μ 相同。由熱力學(xué)基本關(guān)系式可知,μ與主體流體的壓力p 直接相關(guān)。由于p是操作變量,比較直觀,因此可采用文獻(xiàn)[30]提出的MBWR 狀態(tài)方程來表述主體流體的壓力。
3.3.2 巨正則系綜模擬過程
模擬初始,給定系綜的壓強(qiáng)p和溫度T,取狹縫孔中l(wèi)×l×H的模擬盒子,對其吸附流體相的過程進(jìn)行GCEMC 模擬,l為模擬盒子的長如圖3所示,與炭孔墻垂直的方向為z軸,當(dāng)狹縫孔的孔徑H 一定時,在x方向和y方向采用周期性邊界條件。
在每一步GCEMC 模擬中,模擬盒子里的流體超微粒子存在3種等幾率的行為[27,30],分別是移動、產(chǎn)生和刪除。其接受概率:
1)移動概率ζm,模擬盒子里的超微粒子從一個位置移動到另一個位置:
2)產(chǎn)生概率ζc,在模擬盒子里產(chǎn)生一個新粒子:
3)刪除概率ζd,從模擬盒子里刪除一個粒子:
式中,N為流體粒子數(shù),△ψ為經(jīng)過移動、產(chǎn)生和刪除某一種行為后系統(tǒng)總勢能的變化量。
模擬時,化學(xué)勢、體積和溫度固定,以相同的概率進(jìn)行插入、刪除和移動3種操作。在初始構(gòu)型中,假設(shè)在模擬盒子內(nèi)有60個超微粒子。每次模擬都產(chǎn)生2×106個構(gòu)象,最初的1×106個構(gòu)象用來使體系達(dá)到平衡而被丟棄,只對后面的1×106個構(gòu)象進(jìn)行統(tǒng)計平均,計算所需的物理量。本文計算采用Accelrys公司Cerius2分子模擬軟件包,在Origin300服務(wù)器上進(jìn)行。
在加工制造CMWF 濾芯的過程中,可以通過控制微米木纖維的填充率及炭化活化主要影響參數(shù)確定其比表面積及孔容孔徑分布。在CMWF 濾芯中,有大量的微孔、中孔和大孔存在,這些孔可有效過濾和吸附不同粒徑的PM。本研究的主要目的是通過混合LJ-GCEMC 法模擬獲得CMWF 對積聚態(tài)粒子的吸附特性,從而對確定CMWF 濾芯的工藝參數(shù)起到一定的指導(dǎo)作用。
模擬中,孔中粒子平均數(shù)密度ρ*T可表示為[22]
式中,ρ*(z*)為局域密度,可通過式(10)獲得。
式中,S*為狹縫墻面積;〈N(z*)〉為孔中微元胞腔(S*·Vz*)內(nèi)粒子數(shù)的系綜平均。
根據(jù)柴油車尾氣流經(jīng)DPF時的實際壓力與溫度,確定GCEMC 模擬中壓力和溫度變化范圍分別為102~120 kPa和300~500 K。
為了研究孔徑對吸附數(shù)密度的影響,本文對溫度為350 K時不同壓力條件下(105 kPa、110 kPa、115kPa)CMWF 濾芯的吸附數(shù)密度進(jìn)行了模擬。從圖4可以看出,在孔徑為380 nm和壓力為115 kPa時吸附數(shù)密度最大,可達(dá)到3.7×106個/cm3。同時可看到當(dāng)孔徑小于200 nm時,吸附數(shù)密度隨著孔徑增大而增加;當(dāng)孔徑從200 nm向320 nm 過渡時,吸附數(shù)密度急劇增加;當(dāng)孔徑從320 nm向420 nm過渡時,吸附數(shù)密度相對較大;當(dāng)孔徑從420 nm向650 nm 過渡時,吸附數(shù)密度隨孔徑增大急劇減少;當(dāng)孔徑大于650 nm時,吸附數(shù)密度隨孔徑的增大變化不明顯。以上分析說明孔徑過小或過大都會阻礙吸附數(shù)密度的增加,在本研究設(shè)定的條件下,孔徑范圍應(yīng)為320~420 nm。另外,從圖4還可以看出,隨著壓力的升高吸附數(shù)密度會有所增加。
圖4 不同壓力條件下粒子吸附數(shù)密度隨孔徑的變化曲線
本文計算了孔徑為400 nm時不同溫度條件下(350 K、400 K和450 K)CMWF 濾芯吸附數(shù)密度隨壓力的變化關(guān)系(圖5)。在相同溫度下,吸附數(shù)密度隨壓力升高而增加。壓力在110 kPa 前,吸附數(shù)密度隨著壓力的升高而迅速增加;之后隨壓力增加,吸附數(shù)密度的上升趨勢有所減緩,當(dāng)大于115kPa時,吸附數(shù)密度基本保持不變。另外,從圖5還可看出,隨溫度升高吸附數(shù)密度會有所減少。
圖5 不同溫度條件下粒子吸附數(shù)密度隨壓力變化曲線
利用綠色環(huán)保、成本低、凈化效率高、具有活性炭性質(zhì)的CMWF 濾芯可有效凈化柴油車尾氣中的超微碳煙顆粒。超微粒子組成復(fù)雜,目前利用GCEMC 進(jìn)行吸附過程模擬的相關(guān)研究較少,本文只是一個探索性的理論研究,具體結(jié)論如下:
1)柴油機(jī)排放顆粒物中,超微粒子占排氣總顆粒數(shù)量的90%以上,且絕大多數(shù)由碳煙基元凝聚而成,可利用混合LJ-GCEMC 法模擬粒子在CMWF 濾芯中的吸附過程。
2)當(dāng)溫度、壓力和孔徑分別為350 K、115 kPa和380 nm時,CMWF 濾芯的吸附數(shù)密度最大,可達(dá)到3.7×106個/cm3。隨著孔徑的變化,吸附數(shù)密度呈現(xiàn)先增大,然后減小,最后趨于平緩的趨勢。模擬結(jié)果表明,CMWF 濾芯孔徑過小或過大都會阻礙超微粒子吸附數(shù)密度的增加,在本研究設(shè)定的條件下,孔徑范圍應(yīng)為320~420 nm。
3)當(dāng)溫度保持不變且孔徑為400 nm時,吸附數(shù)密度隨壓力升高而增加。其中,壓力小于110kPa時,吸附數(shù)密度升高迅速;當(dāng)壓力在110kPa和115kPa之間時,吸附數(shù)密度上升趨勢有所減緩,當(dāng)壓力大于115 kPa時,吸附數(shù)密度基本保持不變。另外,模擬結(jié)果還表明,當(dāng)孔徑不變時,隨溫度升高吸附數(shù)密度會略有減少。
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